JP6709179B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置の改良技術に関する。
電力変換装置は、例えばバッテリとモータの間に配置されバッテリで貯えた電力を制御してモータへ供給する。ハイブリッド車両や電動車両に搭載される電力変換装置、つまりPCU(パワーコントロールユニット)を構成する多くの子ユニット(例えばパワーモジュールやリアクトル)は発熱し、その影響で性能を損なう懸念をもつため、冷却構造は必須となる。このような冷却技術は各種提案されてきた(例えば、特許文献1)
特許文献1で知られている電力変換装置の筐体は、上半分の第1筐体と下半分の第2筐体とに二分割され、互いに一体に組み付けられている。第1筐体には、第1電力変換器と第1冷却器とがユニット化されて、収容されている。第2筐体は、第2冷却器そのものであり、内部に第2電力変換器が実装されている。このように、冷却器は第1冷却器と第2冷却器とに分けられており、筐体の外部に設けられた接続冷媒路によって、互いに接続されている。この接続冷媒路は、第1冷媒流路と第2冷媒流路とからなる。第1冷媒流路は、第1筐体の外面から突出した第1突出部に形成されている。第2冷媒流路は、第2筐体の外面から突出した第2突出部に形成されている。
しかし、この構造では、接続冷媒路が筐体の外部に設けられているため、筐体のサイズが大きくなる。さらに、第2冷却器そのものである第2筐体の内部に、第2電力変換器が実装されているので、第2冷却器に冷却フィンを形成することが困難となり、冷却器のサイズ変更も難しいため、汎用性が低い。
特開2015−130735号公報
本発明は、筐体のサイズを大きくすることなく、筐体の内部に接続冷媒路を形成することができる技術を提供することを課題とする。
請求項1に係る発明は、パワーモジュールを冷却する第1冷却器と、電子部品を冷却する第2冷却器と、前記第1冷却器と前記第2冷却器とを収容する筐体と、を備えた電力変換装置において、
前記筐体の内壁には、前記第1冷却器と前記第2冷却器とを接続する接続冷媒路が設けられていることを特徴とする。
さらに請求項1に係る発明では、前記第2冷却器は、前記筐体の内部に設けられる溝部と、この溝部を塞ぐように前記筐体に固定される蓋部と、によって構成され、前記電子部品は、前記蓋部に実装されていることを特徴とする。
さらに請求項1に係る発明では、前記蓋部は、前記電子部品に対応するように分割し、固定されていることを特徴とする。
請求項2に係る発明では、前記蓋部は、前記電子部品を実装する実装面に対して反対側の面に、冷却フィンを形成されてなることを特徴とする。
請求項3に係る発明では、前記分割された蓋部は、一方に貫通孔が設けられ、他方が前記貫通孔を塞ぐように重なり合って固定されていることを特徴とする。
請求項4に係る発明では、前記第1及び第2冷却器の冷媒入口と前記第1及び第2冷却器の冷媒出口とは、前記筐体の同一面に形成されてなることを特徴とする。
請求項1に係る発明では、筐体の内壁に、冷却器同士を接続する接続冷媒路を設けている。このため、筐体のサイズを大きくすることなく、筐体の内部に接続冷媒路を形成することができる。また、接続冷媒路を筐体の内壁に設けることにより、筐体の側壁の強度を向上することができる。
さらに請求項1に係る発明では、電子部品を蓋部に実装したことにより、蓋部を交換するだけで電子部品の変更が可能となり、電力変換装置の汎用性が高くなる。
さらに請求項1に係る発明では、蓋部を、電子部品に対応するように分割している。蓋部に複数の電子部品を実装する際に、1枚の蓋部の場合には電子部品を変更する毎に全てを交換することになる。これに対して請求項1の場合には、電子部品ごとに、分割された蓋部と交換することが可能となり、電力変換装置の汎用性が高くなる。
請求項2に係る発明では、冷却フィンを形成した蓋部に直接に電子部品を実装したことにより、蓋部を交換するだけで冷却フィンの形状の変更や電子部品の変更が可能となり、電力変換装置の汎用性が高くなる。
請求項3に係る発明では、分割された蓋部同士が一体化(一枚化)されて、筐体に固定されるため、分割された蓋部によって筐体の溝部を個別に開口させる必要がない。電力変換装置の構成を簡略化できる。
請求項4に係る発明では、冷媒入口と冷媒出口とを筐体の同一面に形成することにより、筐体の小型化(サイズダウン)が可能である。
本発明による電力変換装置の模式的な断面図である。 本発明の変形例1による電力変換装置の第2室周りの断面構造を示す図である。 本発明の変形例2〜4による電力変換装置の第2室周りの断面構造を示す図である。 本発明の変形例5による電力変換装置の第2室周りの断面構造を示す図である。
本発明を実施するための形態を添付図に基づいて以下に説明する。
実施例に係る電力変換装置について図面に基づき説明する。
図1に示されるように、電力変換装置10は、筐体11にパワーモジュール33や各種の電子部品44,62が収容されている。この筐体11は、本体20(シェル20)と冷媒ジャケット30とによって構成されている。本体20は、一体形成されてなる区画板21によって、第1室22と第2室23とに分離している。例えば、第1室22は第2室23の真上に位置する。
第1室22は、区画板21に対して反対側の開放端を、冷媒ジャケット30によって塞がれている。冷媒ジャケット30は、第1室22にボルト31によって取り外し可能に装着された、概ね平坦な部材であり、内部に第1冷却器32を備える。冷媒ジャケット30の外面には、パワーモジュール33が実装されている。第1冷却器32は、パワーモジュール33を冷却するように、冷媒ジャケット30内に形成されてなる冷媒通路である。この第1冷却器32の出入り口は、Oリング等のシール部材34,34によってシールされている。
第1室22には、第1子ユニット41が収容されている。この第1子ユニット41は、区画板21にボルト42によって取り外し可能に装着された基盤43と、この基盤43に実装された電子部品44(例えば平滑コンデンサ・リアクトル・DC−DCコンバータ・放電抵抗など)と、によって構成されている。冷媒ジャケット30とパワーモジュール33は、第1カバー45によって覆われている。この第1カバー45は、筐体11にボルト46によって取り外し可能に装着されている。
第2室23は、第2冷却器51を備える。この第2冷却器51は、筐体11の内部に設けられる溝部52と、この溝部52を塞ぐように筐体11に固定される蓋部53と、によって構成されている。溝部52は、第2室23において、区画板21に沿って形成されてなり、この区画板21に対して反対側(下側)を開放している。この溝部52の形状や大きさは、第2冷却器51の冷却性能(冷却面積を含む)を考慮して適切に設定される。例えば、この溝部52は、幅狭の細長い溝や、区画板21の概ね全面にわたる幅広の溝に構成される。蓋部53は、区画板21に対面するとともに、溝部52の下側の開放端を閉鎖している。
詳しく述べると、第2室23には、溝部52の開放端の縁に沿った平坦な座面54が形成されてなる。蓋部53は、この座面54に重ねられ且つボルト55によって取り外し可能に装着されている。蓋部53と座面54との間は、Oリング等のシール部材56によってシールされている。第2室23は、区画板21に対して反対側の開放端を、第2カバー57によって覆われている。この第2カバー57は、本体20にボルト58によって取り外し可能に装着されている。
第2室23には、第2子ユニット61が収容されている。この第2子ユニット61は、蓋部53と、この蓋部53に実装された電子部品62(例えば平滑コンデンサ・リアクトル・DC−DCコンバータ・放電抵抗など)と、によって構成されている。この電子部品62を蓋部53に実装したことにより、蓋部53を交換するだけで電子部品62の変更が可能となり、電力変換装置10の汎用性が高くなる。
さらに、蓋部53は、電子部品62を実装する実装面53aに対して反対側の面53b(溝部52に対向する面53b)に、複数の冷却フィン53cを形成されてなる。この複数の冷却フィン53cは、溝部52内へ延びている。蓋部53を交換するだけで冷却フィン53cの形状の変更が可能となり、電力変換装置10の汎用性が高くなる。
第2冷却器51は、筐体11(本体20)に設けられている冷媒入口74に接続されている。第1冷却器32は、筐体11(本体20)に設けられている冷媒出口75に接続されている。冷媒入口74と冷媒出口75とは、筐体11(本体20)の側壁73の同一面73aに形成されてなり、接続冷媒路72とは反対側に位置することが好ましい。
冷媒入口74と冷媒出口75とを筐体11の同一面73aに形成して、片側に集中的に配置することにより、筐体11の小型化(サイズダウン)を図ることが可能である。しかも、筐体11は、冷媒入口74と冷媒出口75とを有していない、いわゆる反対側の部位には、冷媒配管をする必要がない。このため、電力変換装置10及びその付属物を配置する配置スペースを、小さくすることができる。その分、狭いスペースに電力変換装置10を配置することができるので、配置の自由度が増す。例えば、電力変換装置10を車両に搭載する場合には、車両の小型化を図る上で有効である。
冷媒入口74から供給された冷媒(例えば冷却水)は、第2冷却器51、接続冷媒路72、第1冷却器32の経路を通過して、冷媒出口75から排出される。第1冷却器32を流れた冷媒は、冷媒ジャケット30を通してパワーモジュール33を直接に冷却する。第2冷却器51を流れた冷媒は、複数の冷却フィン53c及び蓋部53を通して電子部品62を直接に冷却する。このため、パワーモジュール33や電子部品62を直接に効率よく冷却することができる。従って、パワーモジュール33や電子部品62の集積効率を高めることができるので、電力変換装置10の小型化を図ることができる。しかも、間接的に冷却する構成ではないので、放熱グリースを塗布する必要がなく、その分、低コスト化を図ることができる。さらには、複数の冷却フィン53cを有することによって、電子部品62を一層効率よく冷却することができる。
加えて、第1室22が第1冷却器32と第2冷却器51とによって囲まれているので、第1室22内の雰囲気温度を下げることができる。このため、第1室22に配置される電子部品44を、間接的に冷却することができる。
以上の説明から明らかなように、電力変換装置10は、パワーモジュール33を冷却する第1冷却器32と、電子部品62を冷却する第2冷却器51と、第1冷却器32と第2冷却器51とを収容する筐体11とを備える。
筐体11の内壁71(本体20の内壁71)には、第1冷却器32と第2冷却器51とを接続する接続冷媒路72が設けられている。このため、筐体11のサイズを大きくすることなく、筐体11の内部に接続冷媒路72を形成することができる。また、接続冷媒路72を筐体11の内壁71に設けることにより、筐体11の側壁73(本体20の側壁73)の強度を向上することができる。
次に、上記図1に示される電力変換装置10の、種々の変形例について説明する。なお、基本的な構成は上記図1に示される電力変換装置10と同じであり、同じ構成については同一符号を付して説明を省略する。また、各変形例は、上記図1に示される電力変換装置10と同じ効果を発揮する。
<変形例1>
変形例1の電力変換装置10Aを図2(a)、(b)を参照しつつ説明する。図2(a)は、変形例1の電力変換装置10Aの第2室23周りの断面構造を示し、上記図1に対応している。図2(b)は、図2(a)の電力変換装置10Aの分解構造を示している。
変形例1の電力変換装置10Aは、図1に示される第2子ユニット61を第2子ユニット61Aに変更したこと、つまり、第2室23に配置される複数(例えば2つ)の電子部品62A1,62A2に対応して、蓋部53を分割し、固定する構成としたことを特徴とし、その他の構成は、上記図1に示される電力変換装置10と同じである。
第2子ユニット61Aの蓋部53は、2つの電子部品62A1,62A2に対応して、第1蓋部53A1と第2蓋部53A2とに二分割されている。第2冷却器51Aは、筐体11の内部に設けられる溝部52と、この溝部52を塞ぐように筐体11に固定される蓋部53A1,53A2と、によって構成される。第2室23に収容される第2子ユニット61Aは、第1蓋部53A1に実装された第1の電子部品62A1と、第2蓋部53A2に実装された第2の電子部品62A2と、によって構成される。このため、各電子部品62A1,62A2の集積度及び配置の自由度を増すことができる。
第2冷却器51Aの溝部52の途中には、中間ベース54Aが一体に形成されてなる。この中間ベース54Aは、第2室23の座面54に対して各蓋部53A1,53A2の全周面をシールするのに必要な、補助的な座面54A1を有する。この中間ベース54Aの座面54A1は、第2室23の座面54に対して同一面である。各蓋部53A1,53A2は、座面54,54A1に重ねられ且つボルト55によって取り外し可能に装着されている。各蓋部53A1,53A2と座面54,54A1との間は、蓋部53A1,53A2の全周面にわたってOリング等のシール部材56A1,56A2によりシールされている。このため、分割された蓋部53A1,53A2によって溝部52を塞ぐ構成にもかかわらず、シール部材56A1,56A2によるシール性能を、十分に確保することができる。
このように、変更例1では、蓋部53(図1参照)を、各電子部品62A1,62A2に対応するように蓋部53A1,53A2に分割している。上記図1に示されるように、蓋部53に複数の電子部品61,62を実装する際に、1枚の蓋部53の場合には電子部品を変更する毎に全てを交換することになる。これに対して変更例1の場合には、各電子部品62A1,62A2ごとに、分割された蓋部53A1,53A2と交換することが可能となり、電力変換装置10Aの汎用性が高くなる。
溝部52の途中に中間ベース54Aが有るので、第2冷却器51Aの流路の少なくとも一部は、中間ベース54Aによって遮られる。これに対し、区画板21には、貫通孔81が形成されてなる。この貫通孔81は、中間ベース54Aと同じ位相にあり(真上に位置しており)、冷媒用蓋83によって閉鎖されている。
この冷媒用蓋83は、第1室22側から区画板21に重ねられ且つボルト82によって装着されている。区画板21と冷媒用蓋83との間はOリング等のシール部材84によってシールされている。この結果、中間ベース54Aと冷媒用蓋83との間には、溝部52の迂回路が形成されることになる。この迂回路の深さは、少なくとも区画板21の板厚分に相当する。溝部52の途中に中間ベース54Aが有るにもかかわらず、第2冷却器51Aは中間ベース54Aが有る部位で迂回することができる。このため、分割された蓋部53A1,53A2のシール性能を確保しつつ、第2冷却器51Aの流路を容易に確保することによって、この第2冷却器51Aの冷却性能を確保することができる。
ところで、変形例1では、図2の想像線によって示されるように、冷媒用蓋83に電子部品85(例えば平滑コンデンサ・リアクトル・DC−DCコンバータ・放電抵抗など)や複数の冷却フィン86を設けることができる。電子部品85は、冷媒用蓋83において第1室22側の面に実装される。つまり、冷媒用蓋83は、電子部品85を実装した基盤を兼ねる。冷媒用蓋83と電子部品85によって、変形例1の第1子ユニット41Aが構成される。複数の冷却フィン86は、冷媒用蓋83から貫通孔81へ延びている。第2冷却器51Aを流れた冷媒は、複数の冷却フィン86及び冷媒用蓋83を通して電子部品85を直接に冷却する。このため、電子部品85を直接に効率よく冷却することができる。
<変形例2>
変形例2の電力変換装置10Bを図3(a)を参照しつつ説明する。図3(a)は、変形例2の電力変換装置10Bの第2室23周りの断面構造を示し、上記図2に対応している。変形例2の電力変換装置10Bは、上記図2に示される変形例1の冷媒用蓋83を、図3(a)に示される冷媒用蓋83Bに変更したことを特徴とし、その他の構成は、変形例1の電力変換装置10Aと同じである。冷媒用蓋83Bは、変形例1の冷媒用蓋83と同様に区画板21の貫通孔81を閉鎖するとともに、上記図1に示される第1子ユニット41の基盤43を兼ねている。この冷媒用蓋83Bは、第1室22側から区画板21に重ねられ且つボルト82によって装着されている。
つまり、変形例2の第1子ユニット41Bは、冷媒用蓋83Bと、この冷媒用蓋83Bに実装された電子部品44と、によって構成されている。このようにして、変形例2に対し、電子部品の更なる集積度及び配置の自由度を高めることができる。しかも、冷媒用蓋83Bが、図1の第1子ユニット41の基盤43を兼ねるので、追加部品は必要ない。また、第2冷却器51Aを流れた冷媒は、冷媒用蓋83Bを通して電子部品44を直接に冷却する。このため、電子部品44を直接に効率よく冷却することができる。
<変形例3>
変形例3の電力変換装置10Cを図3(b)を参照しつつ説明する。図3(b)は、変形例3の電力変換装置10Cの第2室23周りの断面構造を示し、上記図2に対応している。変形例3の電力変換装置10Cは、上記図2に示される変形例1の冷媒用蓋83を、図3(b)に示される冷媒用蓋83Cに変更したことを特徴とし、その他の構成は、変形例1の電力変換装置10Aと同じである。冷媒用蓋83Cは、変形例1の冷媒用蓋83と同様に区画板21の貫通孔81を閉鎖するとともに、上面から上に突出した複数のボス83Ca,83Caを有する。
さらに、上記図1に示される第1子ユニット41が、変形例3では2つの第1子ユニット41C1,41C2に分割されている。一方の第1子ユニット41C1は、基盤43C1と電子部品44C1とによって構成されている。他方の第1子ユニット41C2は、基盤43C2と電子部品44C2とによって構成されている。各基盤43C1,43C2は、それぞれ区画板21とボス83Ca,83Caとにボルト42によって取り付けられている。このようにして、変形例2に対し、電子部品の更なる集積度及び配置の自由度を高めることができる。
<変形例4>
変形例4の電力変換装置10Dを図3(c)を参照しつつ説明する。図3(c)は、変形例4の電力変換装置10Dの第2室23周りの断面構造を示し、上記図2に対応している。変形例4の電力変換装置10Dは、上記図2に示される変形例1の冷媒用蓋83を、図3(c)に示される冷媒用蓋83Dに変更したことを特徴とし、その他の構成は、変形例1の電力変換装置10Aと同じである。冷媒用蓋83Dは、区画板21に対してボルト止めではなく、摩擦攪拌接合等の接合によって、シールしつつ固定されている。第1子ユニット41は、図1に示される構成と同じであって、冷媒用蓋83Dの真上に位置して、区画板21にボルト42により取り付けられている。このようにして、変形例1の電子部品85に対し、電子部品44の更なる集積度及び配置の自由度を高めることができる。
<変形例5>
変形例5の電力変換装置10Eを図4(a)、(b)を参照しつつ説明する。図4(a)は、変形例5の電力変換装置10Eの第2室23周りの断面構造を示し、上記図1に対応している。図4(b)は、図4(a)の電力変換装置10Eの分解構造を示している。変形例5の電力変換装置10Eは、次の2つの構成を特徴とし、その他の構成は、上記図1に示される電力変換装置10と同じである。
第1に、図1に示される第2子ユニット61を変形例5の第2子ユニット61Eに変更したこと、つまり、第2室23に配置される複数(例えば2つ)の電子部品62E1,62E2に対応して、蓋部53を分割し、固定する構成とした。第2子ユニット61Eの蓋部53は、2つの電子部品62E1,62E2に対応して、第1蓋部53E1と第2蓋部53E2とに二分割されている。
第2に、分割された蓋部53E1,53E2は、一方53E1に貫通孔91が設けられ、他方53E2が貫通孔91を塞ぐように重なり合って固定されている。より詳しく述べると、第1蓋部53E1は、上記図1に示される蓋部53に対して基本的な構成が同じであり、座面54に重ねられ且つボルト55によって取り外し可能に装着されている。第2冷却器51Eは、筐体11の内部に設けられる溝部52と、この溝部52を塞ぐように筐体11に固定される蓋部53E1,53E2と、によって構成される。
第1蓋部53E1の一部には、貫通孔91が形成されてなる。第2蓋部53E2は、第1蓋部53E1の実装面53aに重ねられ且つボルト92によって取り外し可能に装着されている。なお、第2蓋部53E2は、第1蓋部53E1と共に本体20に一部のボルト93によって共締めしてもよい。第1蓋部53E1と第2蓋部53E2との間は、Oリング等のシール部材94によってシールされている。
第1の電子部品62E1は、第1蓋部53E1の実装面53aに実装されている。第2の電子部品62E2は、第2蓋部53E2の実装面53aに実装されている。第1及び第2蓋部53E1,53E2は、実装面53a,53aに対して反対側の面53b,53b(溝部52に対向する面53b,53b)に、複数の冷却フィン53cを形成されてなる。
このように、分割された蓋部53E1,53E2同士が一体化(一枚化)されて、筐体30に固定されるため、分割された蓋部53E1,53E2によって筐体30の溝部52を個別に開口させる必要がない。電力変換装置10Eの構成を簡略化できる。しかも、分割された蓋部53E1,53E2によって溝部52を塞ぐ構成にもかかわらず、シール部材56,94によるシール性能を、十分に確保することができる。さらには、各電子部品62E1,62E2の集積度及び配置の自由度を増すことができる。
なお、電力変換装置10,10A〜10Dは、電動車両や、いわゆるハイブリッド車両に搭載される他、舶用や一般産業用に供することもできる。
また、筐体11は、本体20と冷媒ジャケット30とに分離した構成に限定されるものではなく、一体の構成であってもよい。
また、図1に示される第1カバー45と第2カバー57の有無は任意である。
本発明は、車両に搭載される電力変換装置に好適である。
10,10A,10B,10C,10D,10E…電力変換装置、11…筐体、32…第1冷却器、33…パワーモジュール、51,51A…第2冷却器、52…溝部、53…蓋部、53A1…第1蓋部、53A2…第2蓋部、53E1…分割された蓋部の一方(第1蓋部)、53E2…分割された蓋部の他方(第2蓋部)、53a…電子部品を実装する実装面、53b…実装面に対して反対側の面、53c…冷却フィン、62…電子部品、62A1…第1の電子部品、62A2…第2の電子部品、62E1,62E2…電子部品、71…筐体の内壁、72…接続冷媒路、73…筐体の側壁、73a…側壁の同一面、74…冷媒入口、75…冷媒出口、91…貫通孔。

Claims (4)

  1. パワーモジュールを冷却する第1冷却器と、電子部品を冷却する第2冷却器と、前記第1冷却器と前記第2冷却器とを収容する筐体と、を備えた電力変換装置において、
    前記筐体の内壁には、前記第1冷却器と前記第2冷却器とを接続する接続冷媒路が設けられ
    前記第2冷却器は、前記筐体の内部に設けられる溝部と、この溝部を塞ぐように前記筐体に固定される蓋部と、によって構成され、
    前記電子部品は、前記蓋部に実装され、
    前記蓋部は、前記電子部品に対応するように分割し、固定されていることを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記蓋部は、前記電子部品を実装する実装面に対して反対側の面に、冷却フィンを形成されてなることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記分割された蓋部は、一方に貫通孔が設けられ、他方が前記貫通孔を塞ぐように重なり合って固定されていることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  4. 前記第1及び第2冷却器の冷媒入口と前記第1及び第2冷却器の冷媒出口とは、前記筐体の同一面に形成されてなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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